（环境科学专业论文）土壤锌镉空间异质性对植物生长及金属富集的影响.pdf

中山大学硕士学位论文 据污染地暴露风险模型”分析，空间异质性也是影响人体c d 暴露风险的重要因 素。不同的植物根系响应策略并非是“c d 空间分布形式影响植物生长”的根本原 因：白菜6 0 的侧根系在无c d 土壤斑块生长，能主动避开富c d 区，玉米在富 c d 斑块和无c d 斑块根系分配比例无差异，然而，积极的根系避c d 策略，并没 有使得白菜在生长方面获得优势。 综上所述，重金属空间异质性在植物个体尺度上的变化能显著影响植物生长 及金属富集，进而影响植物修复效率和人体重金属暴露风险。为最大程度地适应 异质性土壤环境，超富集植物进化出根系金属觅食机制，而普通植物没有。 关键词：锌镉空间异质性植物修复超富集植物 中山大学硕士学位论文 e f f e c to fs o i lz i n ca n dc a d m i u m h e t e r o g e n e i t y o n g r o w t ha n dm e t a la c c u m u l a t i o no fp l a n t s m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：l i uf e n g - j i e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rq i nr o n g h a n g a b s t r a c t o v e rr e c e n td e c a d e s ，s o i lp o l l u t i o nb ym e t a l si si n c r e a s i n g l yw o r s e n e da sar e s u ko f i n d u s t r ya c t i v i t i e s c o n t a m i n a t e d s o i l sa l eu r g e dt ob er e m e d i e db yl o wc o s t t e c h n o l o g i e s ( e g p h y t o r e m e d i a t i o n ) d u et oh i g he n v i r o n m e n t a lr i s k sf r o mh e a v y m e t a l s i n t e r d i s c i p l i n a r yr e s e a r c hh a sa l l o w e dp h y t o r e m e d i a t i o nt od e v e l o pi n t oa p r o m i s i n g ，c o s t - e f f e c t i v e ，a n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yt e c h n o l o g y m i n e r a le l e m e n t s i n e c o s y s t e m s a l eu b i q u i t o u s l yh e t e r o g e n e o u s l yd i s t r i b u t e d ，w h i c hf u n d a m e n t a l l y a f f e c t sg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to fh i g h e rp l a n t s t od a t e ，s i g n i f i c a n tp r o g r e s sh a s b e e nm a d ei nu n d e r s t a n d i n gt h em o l e c u l a r , p r o t e i n i c ，p h y s i o l o g i c a la n de c o l o g i c a l m e c h a n i s m so fp l a n tr e s p o n s e st oh e t e r o g e n e o u sm a c r o n u t r i e n t sd i s t r i b u t i o n , w h i c h c o n t r i b u t e sal o ti ni n c r e a s i n gc r o py i e l da n dr e g u l a t i n gf i e l dn u t r i t i o nc o n d i t i o n s h o w e v e r , l i t t l ei sk n o w nt h a te f f e c to fs o i lh e a v ym e t a l ( s u c ha sz i n ca n dc a d m i u m ) h e t e r o g e n e i t yo ng r o w t ha n dm e t a la c c u m u l a t i o no fh i g h e rp l a n t s ，e s p e c i a l l y h y p e r a c c u m u l a t o r sa n dc r o p s t h ep r e s e n ts t u d yd e m o n s t r a t e st h a te f f e c to fs o i lz na n dc dh e t e r o g e n e i t yo n g r o w t ha n dm e t a la c c u m u l a t i o no ft h ez n c dh y p e r a c c u m u l a t o rp l a n ts e d u ma l f r e d i i h a n c ea n dt w oc r o p s ( b r a s s i c ap e k i n e n s i sr a n dz e am a y sl ) t h er e s u l t sa n d c o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s ： 1 ，ap o te x p e r i m e n td e m o n s t r a t e dt h a ts p a t i a l l yh e t e r o g e n e o u sz n c da d d i t i o n s i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dg r o w t h , m e t a la c c u m u l a t i o na n dr o o ta l l o c a t i o no fs a l f r e d i i i n a l lh e t e r o g e n e o u st r e a t m e n t s ，t h ep l a n t sc o n s i s t e n t l ya l l o c a t e da p p r o x i m a t e l y9 0 o f r o o tb i o m a s st ot h em e t a l - e n r i c h e dp a t c h e s ，a n ds h o o tz n c dc o n t e n t sw e r eg r e a t e r t h a no rs i m i l a rt ot h o s ei nt h eh o m o g e n e o u st r e a t m e n ta te a c hm e t a lc o n c e n t r a t i o n 1 i l 中山大学硕士学位论文 t h e s er e s u l t si n d i c a t e dt h a t a 盼e d i ih a se v o l v e dr o o tf o r a g i n gm e c h a n i s m st o e f f e c t i v e l yg e tm e t a l sf r o ms o i l f u r t h e r m o r e ，i m p o r t a n tr e a s o n sf o rr o o tm e t a l f o r a g i n gm a y b et h a tt h eh y p e r a c c u m u l a t o rh a v ei n t e r n a lg r e a t e rr e q u i r e m e n t sf o rt h e m e t a l so fi n t e r e s t p l a n t si nt h ec o n t r o lt r e a t m e n ts h o w e ds y m p t o m so fz nd e f i c i e n c y , a l t h o u g ht h e i rs h o o t sh a dz nc o n c e n t r a t i o n s 10 0 一f o l d h i g h e r t h a nt h ec r i t i c a l d e f i c i e n c yv a l u ef o rm o s tp l a n t s ；g r o w t hi n c r e a s e db y 1 6 3 2t i m e sw i t ht h e i n c r e a s i n g o v e r a l ld o s eo fz n c da d d i t i o n , a n ds h o o tb i o m a s sw a sp o s i t i v e l y c o r r e l a t e dw i t hs h o o tz n c dc o n c e n t r a t i o n 2 ，as i g n i f i c a n te f f e c to fs o i lc dh e t e r o g e n e o u sd i s t r i b u t i o no ng r o w t ha n dc d a c c u m u l a t i o no f b p e k i n e n s i sa n dz e am a y sw a sf o u n di nap o ts t u d y p h y t o e x t r a c t i o n o fc db yp l a n t sw a ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db ys u b s t r a t eh e t e r o g e n e i t y , i nv i e wo ft h a t b i o m a s s ，s h o o tc dc o n c e n t r a t i o na n dc o n t e n to f b o t hc r o p sw e r es i g n i f i c a n t l ys m a l l e r i nt h eh e t e r o g e n e o u st r e a t m e n t st h a nt h o s ei nt h eh o m o g e n o u st r e a t m e n t s a c c o r d i n g t ot h ec o n t a m i n a t e dl a n de x p o s u r ea s s e s s m e n ta n dr e s u l t so ft h es t u d y , s u b s t r a t e h e t e r o g e n e i t ys h o u l db er e g a r d e da sa ni m p o r t a n tf a c t o ri nh u m a nh e a l t hr i s k a s s e s s m e n ta s v a r i a t i o ni nc o n c e n t r a t i o nf a c t o ra f f e c t s p r e d i c t e de x p o s u r e p o s s i b i l i t i e sm a yb en o tt h a tp l a n t sw e r ea b l et ob e t t e rg r o w t hv i as e l e c t i v e l yp l a c i n g r o o t si nt h ec d - 舶ep a t c h e s a l t h o u g ha p e k i n e n s i sc o u l da c t i v e l ya l l o c a t ea b o u t6 0 o fr o o t si n t on o n - c o n t a m i n a t e da r e a sw h i l ez e am a y sd i dn o t ，丑p e k i n e n s i sd i dn o t t a k ea n ya d v a n t a g e so f g r o w t h b ym e a n so f t h ea c t i v er o o ts t r a t e g y i nc o n c l u s i o n , s o i lm e t a l h e t e r o g e n e i t ya tt h ep l a n t s c a l ec o u l ds t r o n g l yi n f l u e n c e g r o w t ha n dm e t a la c c u m u l a t i o no fh i g h e rp l a n t s ，f u r t h e ra f f e c t i n gp h y t o r e m e d i a t i o n a n dh u m a nh e a l t hr i s ka s s e s s m e n t t ob e t t e r a d a p t i o no fh e t e r o g e n e o u s s o i l e n v i r o n m e n t s ，h y p e r a c c u m u l a t o r sh a v ee v o l v e dp o s i t i v er o o tr e s p o n s e st om e t a l e n r i c h e dp a t c h e sw h i l ec o m m o np l a n t sm a yd on o t k e yw o r d s ：z n , c d ，h e t e r o g e n e i t y , p h y t o r e m e d i a t i o n , h y p e r a c c u m u l a t o r i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所甓交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引制的：q 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的n 厅亢f l - i l , 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一嘶3 脯翩象暾 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作粼妄3 赃翩虢气姚乇 2 垆莎月舌日 中山大学硕士学位论文 1 1 土壤重金属污染 第1 章前言 自工业革命以来，重金属已成为一类常见的环境污染物。与水、大气重金属 污染相比，重金属在土壤中停留的时间更长、迁移转化更加复杂，更加难以治理。 世界平均每年排放到环境中的镉( c d ) 约2 2 ，0 0 0 吨，锌( z n ) 约1 , 3 5 0 ，0 0 0 吨， 铜( c u ) 约9 3 9 ，0 0 0 吨，铅( p b ) 约7 8 3 ，0 0 0 吨( s i n g he ta 1 2 0 0 3 ) 。土壤重金属 主要来源有：矿石开采与冶炼、污泥污水、战争与军事训练、废物处理地、农业 化肥、电子工业( a l l o w a y1 9 9 5 ) 。例如：矿山尾矿中富含的硫通过与大气氧和 水反应形成酸性矿山废水( a m d ) ，加上其中高浓度重金属，a m d 对生态环境 危害极大( s t o l t z2 0 0 4 ) 。土壤重金属污染日益严重，尤其在发展中国家，因此如 何控制和修复污染土壤已成为国际性环境问题热点和最具挑战性的研究课题之 1 2 植物修复技术概述 1 2 1 植物修复技术发展简史 重金属污染土壤可利用化学、物理或生物技术进行修复( m c e l d o w n e ye ta 1 1 9 9 3 ) 。但化学或物理技术除成本昂贵，还会永久性地影响土壤性质，破坏其生 物多样性，甚至使之成为不毛之地。近几十年来，作为一种经济方便、环境友好 的绿色技术，植物修复已成为污染土壤修复与治理研究的热点领域。植物修复技 术是利用自然植物或转基因植物富集、降解、稳定环境介质中有机或无机污染物， 达到修复、改善污染环境的技术体系( c h a n e y1 9 8 3 ；p i l o n - s m i t s2 0 0 5 ； p a d m a v a t h i a m m a & l i2 0 0 7 ) 。最早提出植物修复方案的是y a m a d a 等( 1 9 7 5 ) 。 随后，u t s u n a m y i a ( 1 9 8 0 ) 和c h a n e y ( 1 9 8 3 ) 分别再次提出了这一想法，利用 金属富集植物治理重金属污染日趋加重的环境。b a k e r 等( 1 9 9 1 ) 首次尝试在田 间利用植物修复z n c d 污染土壤。 中山大学硕士学位论文 1 2 2 植物修复技术优缺点 植物修复技术的主要优点有( p i l o n - s m i t s2 0 0 5 ) ：1 ) 修复污染物范围广。已 证成功修复的有机污染物包括地下水中最普遍的污染物三氯乙烯( t c e ) ( n e w m a ne ta 1 1 9 9 7 ) 、除草剂、炸药t n t 、石油类碳氢化合物、燃料添加剂 m t b e 、p c b s ；无机污染物则主要是植物大量必需元素( n 和p ) 、植物微量必 需元素( z n 、c r 、c u 、f e 、m n 、m o 和n i ) 、非必需元素( c d 、p b 、a s 、c o 、f 、 h g 、s e 、v 和聊及放射性元素( 2 3 8 u 、1 3 7 c s 和9 0 s r ) ；2 ) 可修复固液气污染介 质。受污染的土壤和沉积物，如军用地( t n t 、金属和有机物) ，农耕地( 除草 剂、杀虫剂、金属和a s ) ，尾矿地( 金属) 和木材加工地( p a h s ) ；受污染的水 体，如污水和城市废水( 矿质养分和金属) ，农灌水( 矿质养分、金属、舡、s e 、 b 、有机杀虫剂及除草剂) ，工业废水( 金属和s e ) ；净化空气( n o x 、s 0 2 、臭 氧、c 0 2 、烟尘和挥发性卤化烃) ；3 ) 成本相对较低，更加经济。太阳能驱动的 植物修复技术，比客土法、淋洗法、焚烧法等传统修复技术成本低1 0 倍左右；4 ) 环境友好的绿色修复技术；5 ) 获取一定经济效益。美国的植物修复市场目i j 约 $ 1 0 0 1 5 0 百万年，占有机污染物修复市场8 0 的份额，占无机污染物修复市场 2 0 的份额；在欧洲、亚洲及大洋洲，对植物修复技术的研究投入也正越来越多。 植物修复技术虽然具有很好的发展应用前景，但其研究历史较短，理论及修 复实践指导体系仍不完善，仍受到很多因素限制( e r n s t2 0 0 5 ；p i l o n - s m i t s2 0 0 5 ) ， 简述如下：1 ) 修复地的气候、土壤理化性质及污染程度，均会影响修复植物的 生长、修复效率；2 ) 植物根系有限，但土壤污染范围远大于植物根系分布区域。 一般草本植物根系主要分布在表层土壤5 0c m 内，木本植物根系在3m 内，因此 需要结合物理方法来解决；3 ) 达到环境质量要求所需的修复时间较长。植物修 复一般按年计，传统修复技术按月或天计。4 ) 受污染物种类及生物有效性限制。 自然环境中，污染物形态和种类多样，仅有少部分具生物有效性的污染物能被移 除，通过植物修复不可能彻底去除。目前，大部分环境法规是按照污染物总量来 衡量的，虽然应用生物有效性来评估污染物环境风险开始受到科学肯定和应用 ( e h l e r s & l u t h y2 0 0 3 ) 。传统修复体系与植物修复技术有机结合，两者优势互补， 是目前一条更加有效和前景的发展方向。 2 中山大学硕士学位论文 1 2 3 植物修复技术分类 按修复原理不同，污染环境的植物修复技术主要( p i l o n - s m i t s2 0 0 5 ) 分为： 植物稳定、植物提取、植物挥发、植物降解及其他以植物为核心的环境修复技术 ( 见图1 1 ) 。植物稳定，即利用植物稳定土壤中污染物，降低其移动性，阻止污 染进一步扩散；植物提取，即利用植物有效吸收污染物，收获富集污染物的部分 达到永久去除污染物的目的；植物挥发，即污染物通过植物体以气态形式挥发掉； 而植物降解，一般指利用植物生物学功能把有机污染物分解成无毒成分。一般来 说，能快速生长、具大生物量、竞争能力强、耐性强的植物是合适的植物修复材 料，但不同植物修复技术所利用的植物材料存在差异。 m u l a t i o n 图1 1 植物修复技术原理示意图( 摘自p i l o n - s m i t s2 0 0 5 ) f i g 1 - 1m e c h a n i s m so fp h y t o r e m e d i a t i o n ( a d a p t e df r o mp i l o n s m i t s2 0 0 5 ) 1 2 4 植物提取技术与( 超) 富集植物 植物提取技术因能够永久性地移除环境中污染物，其应用价值前景更大，更 受研究者青睐。最佳的修复效果，取决于植物本身特性和合适的农艺措施。最适 中山大学硕士学位论文 合修复应用的植物材料应具备地上部金属富集能力强、生物量大、生长速度快、 耐受和富集多种金属等特征( k u m a re ta 1 1 9 9 5 ；m c g r a t h1 9 9 8 ；p i l o n - s m i t s2 0 0 5 ) 。 然而同时具备以上特性的植物种类极少( e r n s t2 0 0 5 ) 。目前研究和应用的主要有 两大类：超富集植物( 如t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 、a r a b i d o p s i sh a l l e r i 及a l y s s u m b e r t o l o n i i 等) 和富集植物( b r a s s i c a j u n c e ac z e r n 等) ，其中以前者研究居多。超 富集植物的发现最早可追溯到1 6 世纪。1 5 8 3 年，c e s a l p i n o 在意大利t u s c a n 山 谷中发现超基性岩( 富含铁镁) 上长有 a l y s o n ”植物，d e s v a u x ( 1 8 1 4 ) 将其命名 为a b e r t o l o n i i ，m i n g u z z i 和y e r g n a n o ( 1 9 4 8 ) 首次报道此植物叶片富含9 2 1 的n i ( 干重计) ，此即为有名的成功修复n i 污染土壤的n i 超富集植物。n i 富集 能力最强的植物当属s e b e r t i aa c u m i n a t a ( 始v eb l e u e ) ，其树汁中n i 达2 0 ( j a f f r 6 e ta 1 1 9 7 6 ) 。1 9 7 7 年，b r o o k s 等首次提出了“h y p e r a c c u m u l a t o r 超富集植物这一 概念，用以描述植物地上部n i 含量超过0 1 ( 干重) 的植物。b a k e r 和b r o o k s ( 1 9 8 9 ) 提出了界定超富集植物的标准：( 1 ) 超富集植物地上部至少富集1 的 z n 、m n ，0 1 的n i 、c o 、c r 、c u 、s e 、p b 和a 1 ，0 0 1 的c d ，0 0 0 1 的h g 或0 0 0 0 1 的a u ，以干重计；( 2 ) 地上部金属浓度是同生境普通植物的1 0 0 倍 以上；( 3 ) 金属转运系数( 地上部金属浓度根部金属浓度) 大于1 。截止2 0 0 9 年4 月，已报道的z n 和c d 超富集植物统计见表1 1 。 目前限制超富集植物实践应用的主要因素是其很小的生物量和较慢的生长速 度( e r n s t2 0 0 5 ) ，因而具大生物量的植物成为另一类主要的修复材料，如印度芥 菜。成功的植物提取技术不仅取决于植物的生物量，其金属耐性及富集能力同样 至关重要。孰重孰轻，观点不一。c h a n e y 等( 2 0 0 0 ，2 0 0 7 ) 及m c g r a t h 和z h a o ( 2 0 0 3 ) 认为植物金属耐性和地上部浓度才是最为关键的，在田间修复能真正发 挥作用的只有超富集植物，而不是大生物量的富集植物( 如表1 - 2 ) ；而e b b s 和 k o c h i a n ( 1 9 9 8 ) 却认为低生物量的超富集植物，其植物提取效率并不优于大生 物量的富集植物。如e b b s 等( 1 9 9 7 ) 研究发现，芥菜富集z n 能力虽然不如z c a e r u l e s c e n s ，地上部z n 浓度是后者的1 3 ，但其去除土壤z n 效率更高，因为其 生物量是后者的1 0 倍多。 植物提取技术一般只能应用于重金属轻度污染土壤，因为高度污染区一般不 适合植物定植、生长( p a d m a v a t h i a m m a & l i2 0 0 7 ) 。高度金属污染区一般是采矿 废弃地、老工业厂址及某些垃圾处理场等，这类土壤矿质养分贫瘠、强酸碱及持 4 中山大学硕士学位论文 水保肥能力差，即使某些超富集植物能够成功存活，但要使土壤达到相应环境标 表1 - 1 已报道的z n 和c d 超富集植物( 根据科学引文索引，统计至2 0 0 9 年4 月) t a b l e1 - 1i d e n t i f i e dz n , c dh y p e r a c c u m u l a t o r s ( s t a t t oa p r i l ，2 0 0 9f r o mi s o 元素 种类金属m gk g - i 科名产地 参考文献 d r e n a r i a p a t u l a 1 3 1 0 0 石竹科美国 c a r d a m i n o p s i sh a l l e r i 1 3 6 0 0 十字花科 德国 d i c h a p e t a l u mg e l o n i o i d e s 3 0 0 0 0 毒鼠子科非洲砂坝哈 b r o o k s19 9 8 h a u m a n i a s t r u mk a t a n g e n s e 19 8 0 0 唇形科扎伊尔 n o c c a e ae b u r n e o s a 10 5 0 0 十字花科瑞士 p o t e n t i l l ag r i f f i t h i i2 6 0 0 0 蔷薇科中国q i ue ta 1 2 0 0 6 s o n c h u sa s p e r ( l ) h i l l5 0 0 0 菊科中国 t h l a s p ia l p e s t r e 2 5 0 0 0 十字花科英国 z n t h l a s p ib r a c h y p e t a l u m 1 0 0 0 0 十字花科法国 t h l a s p ib u l b o s u m 1 0 5 0 0 十字花科希腊 t h l a s p ic a l a m i n a r e 3 9 6 0 0 十字花科德国 b r o o k s19 9 8 t h l a s p il i m o s e l l i f o l i u m 1 1o o o 十字花科法国 t h l a s p i r o t u n d i f o l i ms u b s p 2 1 0 0 0 十宁花科奥地利，意大利 t h l a s p is t e n o p t e r u m l6 0 0 0 十字花科两班牙 t h l a s p it a t r a e n s e 2 7 0 0 0 十字花科斯洛文尼亚 v e t i v e r i az i z a n i o i d e s1 0 0 0 0 禾本科意大利 a n t i o c h i ae ta 1 2 0 0 7 l o o l ac a l a m i n a r i a1 0 0 0 0 堇菜科比利时德国 b r o o k s1 9 9 8 w e n z e l j o c k w e r1 9 9 9 ； b i s c u t e l al a e v i g a t al7 8十字花科欧洲p i e l i c h o w s k a & w i e r z b i c k a 2 0 0 4 ，、，i e c h i n o c h l o ap o ! y s t a c h y a2 3 0 禾本科 墨两哥s o l i s - d o m i n g u e z e ta 1 2 0 0 7 。 i r i sl a c t e av s r c h i n e m i s5 2 9 鸢尾科中国han c ta 1 2 0 0 7 s o l a n u m n i g r u m 1 2 5 茄科中国 s u ne ta 1 2 0 0 7 v i o l ab a o s h a n e n s i s2 3 0 堇菜科中国 w e ie ta 1 2 0 0 4 v i o l a p r i n c i p i sh d eb o i s s 1 2 0 1 堇菜科中国 l e ie ta 1 2 0 0 8 a r a b i s g e m m i f e r a 2 0 3 0 0 1 8 1 0 十字花科日本 b r o o k s1 9 9 8 a r a b i sp a n i c u l a t af 2 0 7 0 0 4 5 0 十字花科中国tang e ta i 2 0 0 5 a t h y r i u my o k o s c 饥s p 6 3 0 0 4 5 0 - 9 9 0蕨类 日本萎：萎篡：i ；言谢5 h n a & z n c d c o r y d a l i sp t e r y g o p e t a l af r a n e h 5 9 0 0 3 2 0 罂粟科中国 z ue ta 1 2 0 0 5 s e d u ma l f r e d i i1 9 6 7 4 1 4 2 4 景天科中国y a n ge ta 1 2 0 0 2 ，2 0 0 4 t h l a s p i c a e r u l e s c e n s4 3 7 1 0 2 1 3 0 十字花科欧洲中西部饕：霁嚣：怒菇9 8 4 ； t h l a s p i g o e s i n g e n s e 1 5 0 0 0 8 3 0 十字花科澳大利哑 b r o o k s1 9 9 8 t h l a s p i p r a e c o xw u l f e n 1 5 0 0 0 6 0 0 0 十宁花科斯洛文尼诬v o g e i - m i k u 2 0 0 5 表1 - 2 玉米与a l y s s u mm u r a l e 植物提取n i 的比较 t a b l e1 - 2e s t i m a t e dn ip h y t o e x t r a c t i o nb yc o r n ( z e am y a sl ) v s a l y s s u mm u r a l e 中山大学硕士学位论文 准可能需要逾百年时间，因此物理、化学的方法修复此类土壤可能更有效 ( p a d m a v a t h i a m m a & l i2 0 0 7 ) 。轻度污染土壤大部分是农田，是超富集植物较为 理想的生长场所。虽然土壤金属含量( 尤其是生物有效态) 对植物提取影响很大， 但超富集植物其根系获取金属能力极强，即使在环境中金属浓度极低情况下，其 地上部金属浓度也会很高。 1 3 影响植物修复的生物学过程 1 3 1 重金属生物有效性 土壤矿物质可以分为两大部分形态：有效态和非有效态。有效态一般包括水 溶态和可交换态。大部分矿质元素有效态部分不能满足植物实际需求，因此植物 根系通过各种根际策略，如分泌质子、有机酸及各种金属络合物或利用特异根际 微生物，来提高土壤中养分元素的有效性。然而目前试验证据并不支持“超富集 植物通过独特的根际效应促进金属吸收”的假说。早期试验发现，即使在z n 含量 很少( m c g r a t he ta 1 2 0 0 0 ) 或较低( b r o w ne ta 1 1 9 9 5 ) 的土壤上，zc a e r u l e s c e n s 也能富集高量重金属。盆栽试验进一步发现，土壤中z n 有效态( 硝酸铵提取态) 在zc a e r u l e s c e n s 生长期间的减少量仅占植物总吸收量的1 0 ( m c g r a t he ta 1 1 9 9 7 ) 、2 4 或5 0 ( w h i t i n ge ta 1 2 0 0 1 ) ，甚至土壤溶液中z n 有效态减少量仅 占植物吸收量的1 ( k n i g h te ta 1 1 9 9 7 ) 。所以研究者推断，超富集植物很可能 通过特殊的根际效应根系酸化或根系分泌物，获取土壤中非有效态重金属。 然而试验结果并不支持根际酸化促进超富集植物利用非有效态金属的假说 ( k n i g h te ta 1 1 9 9 7 ；m c g r a t h e ta 1 1 9 9 7 ；l u oe ta 1 2 0 0 0 ) 。z h a o 等( 2 0 0 1 ) 认为 根系分泌物并不是超富集植物获取土壤中非有效态重金属的有效策略，w h i t i n g 等( 2 0 0 1 ) 通过套种重金属指示植物方法，进一步证明了zc a e r u l e s c e n s 并不能 有效利用土壤中非有效态重金属。另外，同位素示踪技术也证实zc a e r u l e s c e n s 只能利用土壤中有效态部分( h u t c h i n s o ne ta 1 2 0 0 0 ) 。而且，在z n 缺乏条件下 zc a e r u l e s c e n s 富集金属量与za r v e n s e 并无差异( o z t u r ke ta 1 2 0 0 3 ) ，进一步间 接说明zc a e r u l e s c e n s 超富集能力并不是因为能够更多地获取土壤非有效态重金 属。此外，研究证实c d 或n i 超富集植物也只能利用土壤中有效态金属( e c h e v a r r i a 6 中山大学硕士学位论文 e ta 1 ，1 9 9 8 ；h u t c h i n s o ne ta 1 ，2 0 0 0 ；s h a l l a r ie ta 1 ，2 0 0 1 ；s c h w a r t zc ta 1 ，2 0 0 3 ； h a m m e re ta 1 ，2 0 0 6 ) ，即超富集植物与普通植物所利用的金属形态是一致的。因 此超富集植物自身只能通过根系更有效、更快速地吸收土壤中有效态重金属的途 径，才能更高地富集重金属。 土壤p h 是影响重金属有效性最为重要的土壤理化性质之一，进而影响植物 修复过程。一般来说，在植物可耐性范围内，降低土壤p h 可以提高金属有效性 和植物金属富集量；而升高p h 会得到相反的结果。b r o w n 等( 1 9 9 4 ) 证实，在 较低土壤p h 条件下，土壤z n 、c d 有效性和zc a e r u l e s c e n s 金属富集量更高。 但是，土壤p h 对n i 超富集植物a m u r a l e 和a c o r s i c u m 金属富集的影响却遵循 相反的规律。如l i 等( 2 0 0 3 a ) 发现，当土壤p h 值由5 升至6 ，a c o r s i c u m 和 a m u r a l e 富集n i 量不仅没降低，反而提高了2 - - - 3 倍，而土壤有效态n i 却随土 壤p h 值线型下降( l i e ta 1 2 0 0 3 b ) 。这一现象同样被k u k i e r 等( 2 0 0 4 ) 证实， 原因主要是a m u r a l e 和a c o r s i c u m 在中性环境下吸收n i 效率更强( p e t e r s 2 0 0 0 ) 。 理解影响重金属生物有效性的环境因子及作用机制，有利于通过人工措施提 高植物修复效率( p l i o n - s m i t s2 0 0 5 ) 。例如，添加天然有机酸类( 柠檬酸、苹果 酸) ，能降低土壤p h ，形成有机酸一离子螯合体，利于植物吸收。人工螯合剂 e d t a 对于增加金属移动性很有效，它一般用于化学强化植物修复技术，即在收 获植物前添加e d t a 可以极大增加金属的植物吸收( s a l te ta 1 1 9 9 8 ) 。然而，此 项技术的田间应用应该建立在螯合剂对重金属淋溶影响、环境风险影响评估的基 础上。而在高度污染的地区，施加某些改良剂如石灰( b e n n e t te ta 1 2 0 0 3 ；b r o w n e ta 1 2 0 0 3 ) 、有机肥等来降低污染物的生物有效性和毒性，这对于植物的成功复 垦是十分有效的。另外，由于物理、化学及生物学过程影响，土壤中生物有效态 污染物含量随时间延长有下降趋势，因此相对污染时间较短的土壤，污染年代久 远的土壤污染物生物有效性更低，也更加难以利用植物修复技术治理。 1 3 2 重金属根系吸收过程 植物根系金属吸收效率直接影响其金属富集能力。下面以超富集模式植物z c a e r u l e s c e n s 为例( a s s u n 嗨oe ta 1 2 0 0 3 ) 介绍其根系z n 吸收机制进展( 见图1 - 2 ) 。 7 中山大学硕士学位论文 首先，从器官水平来看，zc a e r u l e s c e n s 具有“利于金属吸收、获取”的根系特征。 与非富集植物za r v e n s e 相比，zc a e r u l e s c e n s 有着更多的侧根系、更稠密的长根 毛( 2 1m m ) 、更大的根冠比和有效根长( w h i t i n ge ta 1 2 0 0 0 ) ，这些特性使得z c a e r u l e s c e n s 能更快、更多地吸收、利用一定范围根区内的金属。另外，z c a e r u l e s c e n s 具有独特的根系金属觅食特性( s c h w a r t zc ta 1 1 9 9 9 ；w h i t i n ge ta 1 2 0 0 0 ) ，即根系在富金属区更多更快增殖，进而促进金属吸收。这意味着，具有 根系觅食性的植物拥有更多可利用的土壤重金属资源。尤其当根际金属有效性太 低而不能满足超富集吸收时，根系觅食性对于超量获取重金属将显得尤为重要。 迄今已证实，zc a e r u l e s c e n s 能够觅食z n 、c d 及n i ( s c h w a r t ze ta 1 2 0 0 3 ；h a i n e s 2 0 0 2 ；d e c h a m p se ta 1 2 0 0 8 ) ，但是某些种群却没有根系金属觅食特性( h a i n e s 2 0 0 2 ) 。似乎根系觅食性并非超富集植物所必备特征，但目前仅有的证据不足以 证实这一点，因为试验条件( 如介质供应浓度和斑块大小) 能显著影响植物根系 觅食反应( v a nv u u r e ne ta 1 ，19 9 6 ；w i j e s i n g h e & h u t c h i n g s ，19 9 7 ，19 9 9 ) 。其次，从 组织解剖学水平上来看，zc a e r u l e s c e n s 具有独特的根系解剖学结构( z e l k oe ta 1 2 0 0 8 ) ，其根系内皮层外围细胞层具有切向、不规则加厚的内生胞壁层，这一“次 生厚壁层”主要由软木脂或木质素构成。它从外部环绕内皮层形成一紧密的柱层， 一直伸展至根尖1i n i i